PSR基于AP3772的設(shè)計(jì)過程分析

一：PSR架構(gòu)是如何是實(shí)現(xiàn)次級(jí)側(cè)恒流輸出的？

在PSR之前，筆者能想象的恒流控制都是要在想要監(jiān)控電流大小的線路上串聯(lián)上一個(gè)電阻，通過檢查電阻兩端的電壓信號(hào)來實(shí)現(xiàn)反饋從而實(shí)現(xiàn)電流大小的控制的，或者至少也有一個(gè)CT（電流檢測(cè)變壓器）來監(jiān)控流過它的電流大小，可能是富裕限制了我的想象力，想不到在PSR的次級(jí)側(cè)竟然上述的兩樣檢測(cè)元件你就算拿著放大鏡也找不到！那么神奇的事情就來了，次級(jí)側(cè)電流恒定控制是如何實(shí)現(xiàn)的？別急，先呈現(xiàn)上PSR的心電圖-工作關(guān)鍵波形圖1：

圖1

上圖Is是副邊電感電流波形，是一個(gè)三角斜波，那么它的平均電流ILAV=1/2Is,也就是三角波形腰間一半的位置，但這還不是負(fù)載的電流Io. 因?yàn)檫@個(gè)電感電流在一個(gè)完整的周期tsw里放電的時(shí)間只是占tons的時(shí)間，所以平均到整個(gè)周期的值才是輸出電流Io的值：Io=1/2Ipks*tons/tsw (1).由于控制芯片是在原邊，所以我們想這需要和原邊發(fā)生點(diǎn)什么關(guān)系。我們知道副邊電流Ipks和原邊電流Ipk是同原副邊匝比Nps成反比的，即Ipks=Ipk*Nps(2). 結(jié)合公式（1）和（2）可以得到：Io=1/2Ipk*Nps*tons/tsw （3）。 觀察公式（3），可以發(fā)現(xiàn)原邊峰值電流Ipk，可以根據(jù)芯片的CS PIN閥值控制的（當(dāng)Rcs上的電壓達(dá)到芯片內(nèi)部Vsc_ref閥值時(shí)便關(guān)斷Q1，同時(shí)VCS_ref最大值為一個(gè)固定常量：500mV）(圖2)，而tons導(dǎo)通時(shí)間是從原邊Q1關(guān)斷開始到FB檢測(cè)到下降沿結(jié)束的這段時(shí)間，然后芯片再刻意地通過增加或減小原副邊均不導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間toff（圖1）調(diào)整工作頻率tsw，使得tons/tsw固定為1/2，而原副邊匝比Nps隨著變壓器的確定就固定下來了，所以芯片通過控制Ipk和tons/tsw的大小最終掌控了Io的大?。↖o=1/4*Ipk*Nps）,從而在次級(jí)側(cè)沒有任何檢測(cè)電阻的情況下完成了對(duì)Io的控制，實(shí)現(xiàn)了恒流。同時(shí)因?yàn)樵匜B是通過檢測(cè)下降沿來完成tons計(jì)算的，所以只能工作在DCM或者BCM.而這里充電器也只是5V/2A的規(guī)格，工作在DCM的電流峰值不會(huì)太大。同時(shí)tsw也是不斷變化的，所以系統(tǒng)是以PFM模式工作的。

圖2

二.變壓器設(shè)計(jì)步驟：

變壓器的參數(shù)包含感量Lp,原副邊匝比Nps,原副邊匝數(shù)Np和Ns等.網(wǎng)上關(guān)于此類參數(shù)的計(jì)算公式琳瑯滿目，讓人眼花繚亂，似乎可以隨手拈來拿來計(jì)算。而筆者認(rèn)為不同的拓?fù)?，隨著芯片的控制策略不同，上述幾個(gè)參數(shù)確定的方法和先后順序都會(huì)發(fā)生變化。以本案為例，在不考慮原副邊應(yīng)力的情況下，希望匝比Nps越大越好，這樣可以在輸出最大電流已經(jīng)確定了的情況下把原邊的電流降到最小，低壓工作時(shí)發(fā)熱量也最低。有的芯片還有QR模式，匝比越大，Vo折射到原邊的電壓Vor越大，那么諧振時(shí)掉落的波谷也越低，有利于降低開通損耗，最終可以提升效率?？墒荖ps能一直提升嗎？制約它提升的天花板是什么？（先排除應(yīng)力，畢竟我們可以選擇耐壓更高的功率器件）。這又得回到上一個(gè)章節(jié)恒流控制的結(jié)論，系統(tǒng)必須是不能工作在CCM模式的。那么系統(tǒng)在什么樣的情況下容易進(jìn)入CCM模式呢？這里先拋出一個(gè)結(jié)論：當(dāng)系統(tǒng)工作在最低輸入電壓并且輸出最大電流負(fù)載時(shí)是最接近CCM模式的。證明如下：不論系統(tǒng)是怎么工作的，原副邊伏秒平衡總是得遵守的，于是得出：Vin_dc*Dp*tsw=Vs*Nps*tons (4)其中Vin_dc是母線電容上的直流電壓，Dp是原邊導(dǎo)通時(shí)的占空比（沒錯(cuò)，我在PFM控制里依然引進(jìn)了占空比的概念），Vs是次級(jí)側(cè)電感兩端的電壓，這是由輸出電壓Vo加上整流二極管導(dǎo)通壓降Vf得到，其他幾位熟悉的參數(shù)我就不用多介紹了，具體定義見圖1. 由公式（4）推出：Dp=Vs*Nps*tons/(Vin_dc*tsw) (5). 觀察公式（5）你會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)其它參數(shù)均固定，Dp是和Nps是成正比例關(guān)系的，即匝比Nps越大，原邊導(dǎo)通的占空比Dp越大，那么Dp能一直增大么？ 先看：tsw=tonp+tons+toff （6） 隨著負(fù)載的不斷增加，toff時(shí)間是不斷減小的（見圖3），這樣tsw才會(huì)不斷減小，工作頻率會(huì)越來越高，直至toff降至0。 這時(shí)tsw=tonp+tons (7). 我們知道對(duì)于固定的系統(tǒng)固定的輸出，次級(jí)側(cè)消磁時(shí)間tons也就固定了（tons=Ipks*Ls/Vs），同時(shí)芯片會(huì)讓tons/tsw這個(gè)參數(shù)死守住為0.5的底線，所以隨著負(fù)載的增加，tonp可以“吞掉”toff的部分，但不能吞掉tons的部分，所以tonp/tsw最大也就只能達(dá)到0.5,也就是Dp最大為0.5 .此時(shí)系統(tǒng)工作在BCM狀態(tài)（臨界導(dǎo)通），此時(shí)也是系統(tǒng)能給予次級(jí)側(cè)的功率上限了，此時(shí)若母線電容上的電壓若下降一點(diǎn)點(diǎn)，見公式（5），則要求Dp進(jìn)一步增大，可是Dp最大只能到0.5，由公式（5）可以得出Vs也必須得下降了，即輸出電壓也會(huì)明顯下降。我們知道輸入低壓滿載的時(shí)候母線電容上的電壓呈現(xiàn)一個(gè)一個(gè)麥當(dāng)勞的饅頭波型（沒吃過麥當(dāng)勞的可以看一下它的標(biāo)志），該波形有波峰也有波谷，波谷對(duì)應(yīng)的為Vin_dc_min。當(dāng)波谷的電壓低到要求Dp大于0.5，因?yàn)樾酒瑳]辦法響應(yīng)該“非分”的要求，所以最終導(dǎo)致了系統(tǒng)輸出電壓呈周期性的下降，這也就是工頻紋波的來源。。。

分析了那么多，可以得出Nps增加到一定值后，不能在低壓滿載時(shí)出現(xiàn)工頻紋波的問題的結(jié)論，即Vin_dc_min恰巧對(duì)應(yīng)上原邊最大占空比0.5 。 由公式（4）推出Nps≦(Vin_dc_min*Dp*tsw)/（Vs*tons）=Vin_dc_min/Vs *0.5*2 (8) 從而得到了Nps的最大值。

圖3

下面可以計(jì)算原副邊電壓應(yīng)力了：

原邊開關(guān)管電壓應(yīng)力： Vce_max=Vdc_spike+Vindc_max+Vs*Nps (9)

副邊整流管應(yīng)力：Vdr=Vindc_max/Nps+Vs (10)

上面Vdc_spike是漏感導(dǎo)致的電壓尖峰，可以受到原邊snubber的抑制，建議值為120V。根據(jù)上述公式可以選擇原邊MOS和副邊二極管了。

下面要確定的是初級(jí)側(cè)峰值電流Ipk,由公式（3）得出Ipk=4Io/Nps （11）

IPk確定后因?yàn)樾酒瑑?nèi)部CS pin參考電壓Vcs_ref為0.5V，一旦采樣電阻RCS上電壓達(dá)到0.5V，開關(guān)關(guān)斷，tonp結(jié)束。Rcs=Vcs_ref/Ipk(12). Rcs需要從實(shí)際的電阻系列中取值，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)，考慮到采樣精度，Rcs的精度建議為1%或者更小。

下面要確定變壓器感量了，在一些應(yīng)用中感量的大小是由電流紋波率r來確定的，但是在本案例中系統(tǒng)一直工作在DCM，所以r為固定值：2。 所以我們沒辦法使用該公式來確定感量Lp的大小。既然沒有了r的約束，自然的我想把感量Lp弄小點(diǎn)，這樣變壓器的個(gè)頭也可以越來越小，那么我們可以為所欲為的降低Lp的大小嗎？ 這時(shí)我們應(yīng)該自然地想到這個(gè)公式：Po=1/2Lp*Ipk 2*fsw*η (13) 其中Po是系統(tǒng)輸出功率，Lp是原邊感量，Ipk是原邊峰值電流大小，fsw是工作頻率，η是效率?？梢钥吹饺糨敵龉β什蛔?，而Ipk已經(jīng)是固定值，隨著Lp的降低fsw會(huì)逐漸上升。那么fsw上升的天花板有哪些呢？ 首先本案例用的是三極管驅(qū)動(dòng)，受到存儲(chǔ)電荷恢復(fù)的影響三極管的工作頻率不能太高，建議在60KHZ以下。同時(shí)芯片F(xiàn)B電壓采樣有一個(gè)固定延時(shí)如4.2us，該延時(shí)是為了避開原邊Q1剛關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的ring的，防止采樣失真。若是工作頻率不斷提高，但采樣延時(shí)是固定的，那么4.2us后tons已經(jīng)結(jié)束了，同樣會(huì)導(dǎo)致采樣失真。在這里fsw建議為60KHZ,從而得到Lp=2Po/( Ipk 2*fsw*η) (14)

下面需要確定是原副邊匝數(shù)了：原邊匝數(shù)取值應(yīng)保證磁性不飽和，既，Np≧(Lp*Ipk)/Ae*Bmax. 其中Ae是選擇變壓器的有效磁芯面積，Bmax是最大磁通變化量，對(duì)于一般的鐵氧體材質(zhì)如PC40建議為0.3T. Nps和Np都確定后就可以得到副邊匝數(shù)Ns=Np/Nps;以及輔助繞組匝數(shù)Na=Ns*Va/Vs,其中Va是輔助線圈的電壓，建議取值為11V左右。為什么取這個(gè)值，這涉及到反激電路在空載和滿載時(shí)VCC電容上電壓會(huì)大幅度的變化。

首先空載或者輕載時(shí)因?yàn)榇虻哪芰棵}沖很弱，間隔時(shí)間又長(zhǎng)，同時(shí)變壓器可以等效為電感，初級(jí)側(cè)Q1關(guān)斷后這個(gè)原邊電感便向次級(jí)側(cè)和輔助繞組側(cè)灌輸能量，對(duì)于原邊繞組而言，它是分不清次級(jí)側(cè)和輔助繞組側(cè)的，這兩個(gè)繞組都等效為負(fù)載，也就是出現(xiàn)次級(jí)側(cè)和輔助側(cè)搶能量的情況（這就像食品匱乏時(shí)大家都在瘋搶東西吃），所以你會(huì)觀察到原邊Vcc電容Cvcc上電壓波動(dòng)很大，從11V跌落到9V都有可能，而芯片VCC有一個(gè)UVLO欠壓保護(hù)點(diǎn)，一旦觸發(fā)該保護(hù)，芯片就保護(hù)重啟了。。。。所以我們希望輕載時(shí)VCC電壓高一點(diǎn)不要觸發(fā)到這個(gè)欠壓保護(hù)點(diǎn)。

但是呢VCC電壓又不能取得太高，因?yàn)楫?dāng)滿載的時(shí)候首先能量脈沖比空載時(shí)大，而且脈沖頻率很高，這時(shí)能量很足，VCC電容上的電壓波動(dòng)就很小了，原副邊也不像輕載時(shí)那樣相互搶能量了（這就像食品豐富了，大家都吃飽了反而相互謙讓起來，都恨不得對(duì)方多吃點(diǎn)，自己不要撐著）。同時(shí)滿載時(shí)對(duì)VCC電容還有一個(gè)不速之客，那就是原邊剛關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的RING，這股RING也是能量，會(huì)耦合到輔助繞組側(cè)最終傳遞到VCC電容上使得VCC電壓上升很高，所以此時(shí)并不滿足和次級(jí)側(cè)電壓之間的匝比公式。如果VCC電壓上升到27V時(shí)會(huì)觸發(fā)VCC過壓保護(hù)，然后你就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，加了滿載后機(jī)子不停的重啟，你還以為是過載保護(hù)了，實(shí)際上確是觸發(fā)VCC過壓保護(hù)了。這就是為什么輕載時(shí)VCC電壓也不要取得過高，如果實(shí)在高怎么辦？VCC繞組整流二極管用慢恢復(fù)的，可以幫助消化吸收掉一部分RING帶來的能量幫助VCC電壓降低。又或者適當(dāng)增大Ra的阻值（圖2）.

好了通過以上的步驟確定了變壓器的參數(shù)：Nps,LP,Np,Ns。我們可以發(fā)現(xiàn)上述參數(shù)確定的方法和順序都有一定的考究，網(wǎng)上計(jì)算變壓器公式很多，但不能隨便拿來就套用，要根據(jù)實(shí)際的芯片控制策略和工作模式來確定，這有點(diǎn)像玩游戲的解迷部分。下個(gè)章節(jié)我們會(huì)舉實(shí)際的案例，一步一步的解析參數(shù)的確定過程，力求讓大家產(chǎn)生更加具體的感覺，同時(shí)再把輸入高低壓線補(bǔ)和輸出線補(bǔ)得原理講解清楚。

高低壓電流補(bǔ)償設(shè)計(jì)

下面講解的是輸入高低壓橫流點(diǎn)平衡的設(shè)計(jì)，首先我們要理解輸入高壓如264V和輸入低壓90V時(shí)，為什么恒流點(diǎn)會(huì)有差異？這涉及到模擬電路的沿（斜率）和閥值的概念，如圖1，從當(dāng)原邊電流峰值在原邊采樣電阻上產(chǎn)生的電壓，達(dá)到芯片內(nèi)部設(shè)定的門檻電壓Vcs_ref的t1時(shí)候，芯片打算關(guān)斷開關(guān)管，可是受到芯片本身和開關(guān)管的延時(shí)影響，真正的關(guān)斷時(shí)刻卻是在t2，對(duì)應(yīng)的電壓為Vcs_ref’，這造成了實(shí)際的電流峰值比芯片預(yù)期設(shè)定的要大（為了示范，做了適當(dāng)?shù)目浯螅?，而高壓下原邊電感上的電流上升的斜率就是比低壓時(shí)斜率大，經(jīng)過同樣的延時(shí)tdelay=t2-t1所造成的誤差Vcs_ref’就更大，這就造成了高壓輸入時(shí)會(huì)比低壓輸入時(shí)輸出的電流要大，這個(gè)多出來的△VCS=Vcs_ref’-Vcs_ref=(Vin_dc/Lp) *tdelay*RCS就是我們想要消除的對(duì)象，通過公式可以看到它直接與輸入電壓的直流分量成正比，那我們可不可以引入另一個(gè)參數(shù)使其也與Vin_dc成正比，但方向相反，達(dá)到和△VCS抵消的目的？有了這個(gè)思路，我們就可以搭建出合適的電路了，而我的芯片AP3772內(nèi)部就含有該線路，如圖2：

圖1

圖2

當(dāng)原邊開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候，BULK電容上的母線電壓會(huì)通過繞組耦合到Vaux輔助繞組上并由FB引腳檢測(cè)到，這時(shí)S1已經(jīng)閉合，形成了一股電流流過Rline便產(chǎn)生了電壓Vcs_line來補(bǔ)償，這時(shí)你可以調(diào)節(jié)Rline阻值的大小來設(shè)置補(bǔ)償電壓的大小。公式如下：

FB引腳的負(fù)壓Vn與線電壓線性相關(guān)：

補(bǔ)償電壓Vcs_line為，

這個(gè)電壓補(bǔ)償了原邊電感電流上由于芯片和開關(guān)管的延時(shí)導(dǎo)致了的增量△VCS因此可以得到Rline來實(shí)現(xiàn)不同線電壓下精準(zhǔn)的輸出電流

當(dāng)然芯片如果不自帶有這種補(bǔ)償?shù)脑挘部梢栽谀妇€電壓上連接一個(gè)電阻分壓到Rline上來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，思路上是一樣的，不過相較于自帶補(bǔ)償?shù)倪@種，不僅BOM的數(shù)量會(huì)增加，而且待機(jī)功耗也會(huì)增加。

輸出線纜cable補(bǔ)償設(shè)計(jì)

由于充電線比較長(zhǎng)，有一定的電阻，電流通過后必然會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，同時(shí)該壓降和電流的大小線性相關(guān)，我們的芯片為了滿足不同應(yīng)用下不同輸出線纜壓降的線性補(bǔ)償需求，有三個(gè)版本的芯片可供選擇。芯片內(nèi)部通過VFB上疊加一個(gè)增量△VFB_cable從而在輸出電壓Vout上疊加了一個(gè)對(duì)應(yīng)的增量△Vout_cable，而這個(gè)增量是與輸出電流線性相關(guān)的。AP3772桶過CPC引腳來檢測(cè)輸出負(fù)載電流的大小然后傳遞給VFB一個(gè)線性相關(guān)的增量實(shí)現(xiàn)線纜的補(bǔ)償。

Datashet上專門定義了一個(gè)相關(guān)的參數(shù)△VFB_cable/VFB %（圖3）.例如，在AP3772中，這個(gè)值是6%，那就意味著滿載時(shí)VFB上疊加的增量是6%，而如果輸出電流時(shí)滿載的10%，那么這個(gè)增量就是0.6%，完全和電流的大小線性相關(guān)，這和線損相互抵消，正好使得線端的電壓大小可以不變。根據(jù)不同應(yīng)用的輸出線纜的阻抗值可以選擇合適的芯片版本。

圖3

假設(shè)

那么，

那么

計(jì)算出△VFB%后，合適的芯片版本可以根據(jù)此選定。

設(shè)計(jì)實(shí)例（5V/1.2A系統(tǒng)）

下面就把上面所講解的思路和公式通過下面的實(shí)例來實(shí)現(xiàn)，讓大家更具體的理解：

規(guī)格：

輸入電壓：85Vac-265Vac

線纜端輸出電壓：Vo_cable=5V

輸出滿載電流：Io=1.2A

板端輸出電壓：Vo=5.13V,(AWG22線纜，長(zhǎng)度=100cm)

開關(guān)頻率：fsw=65KHZ

副邊二極管導(dǎo)通壓降：Vd=0.4V

輔助邊二極管導(dǎo)通壓降：Vda=1.1V

Vcc電壓：Vcc=14V

磁芯型號(hào)：RM5(Ae=23.7mm2),Bmax<3000GS

Vdc_spike≦50V(帶snubber電路)

設(shè)計(jì)步驟：

1）計(jì)算變壓器原副邊匝比（Nps）

Nps≦(Vin_dc_min*Dp*tsw)/（Vs*tons）=Vin_dc_min/Vs *0.5*2=15.5

2)檢驗(yàn)原邊開關(guān)管的最大電壓應(yīng)力和輔助邊二極管的反響壓降

3）計(jì)算原邊的峰值電流和電流采樣電阻（Ipk和Rcs）

4)計(jì)算變壓器原邊電感量（LP）

5)計(jì)算變壓器原邊副邊和輔助邊的匝數(shù)（Np,Ns,Na）

6)檢查原邊的最大占空比

7）檢測(cè)輔助邊二極管的反響壓降

8）電壓反饋電阻

9）高低壓電流補(bǔ)償電阻

10）輸出線纜壓降補(bǔ)償

AP3772三個(gè)版本的VFB都是4.04V。那么，

根據(jù)datasheet，AP3772B(3%)版本是最優(yōu)的選擇。

這里空載時(shí)輸出電壓Vo_NL=5V,滿載時(shí)線纜上的輸出電壓比空載時(shí)略高一些。

設(shè)計(jì)結(jié)果匯總：

綜述

PSR基于AP3772的設(shè)計(jì)，最為關(guān)鍵的幾個(gè)要素包括待機(jī)功耗設(shè)計(jì)，開關(guān)頻率設(shè)計(jì)，變壓器設(shè)計(jì)，電壓反饋電阻設(shè)計(jì)，高低壓電流補(bǔ)償電阻和輸出線纜壓降補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)。本章給出的是基于理想模型和理想波形的設(shè)計(jì)框架，一些參數(shù)還需要根據(jù)具體的線路和應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行是適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。